15. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2026 231 Numerische Berechnungen zu den Montagekavernen für die maschinellen Vortriebe des Brenner Basistunnels Dipl.-Ing. Dr. techn. Tassilo Weifner Brenner Basistunnel BBT SE, Innsbruck, Österreich Zusammenfassung Für die maschinellen Haupttunnelvortriebe des Brenner Basistunnels sind vier Montagekavernen auf österreichischem und zwei auf italienischem Staatsgebiet nötig. Diese Montagekavernen, welche nach dem Ausbruch temporär durch Spritzbetonaußenschalen gesichert wurden, sollten aus aerodynamischen Gründen im Endzustand nicht mit Innenschalen über den gesamten Querschnitt versehen werden, sondern als Tunnel-in-Tunnel Konstruktion in Ortbeton ausgeführt werden, was eine Verfüllung des Restquerschnittes bedingt. Die ursprüngliche Planung sah hier eine Teilauffüllung vor, womit sich ein schwer zu inspizierender, permanenter Hohlraum von bis zu ca. 6 m unter dem First der Montagekaverne ergeben hätte. Da ein Versagen der Spritzbetonschale während der Betriebsphase des Brenner Basistunnels nicht ausgeschlossen werden konnte, wurden numerische Berechnungen durchgeführt, um die Auswirkungen eines solchen Versagens zu untersuchen. Bei diesen numerischen Modellierungen zeigten sich Hebungen in der Tunnelsohle durch Spannungsumlagerungen, welche mit dem zukünftigen Bahnbetrieb nicht zu vereinbaren gewesen wären. Daher wurde eine neue, optimierte Variante für die Ausführung der definitiven Auskleidung der Montagekavernen vorgeschlagen, welche hier erläutert wird. Im Beitrag werden auch die Berechnungsverfahren mittels eines Finite Elemente Programmes erläutert, sowie auf die entsprechenden Berechnungsannahmen und die Modellbildung eingegangen, und die Ergebnisse der Optimierung werden detailliert beschrieben und interpretiert. 1. Einführung Der BBT bildet das Herzstück des Skandinavisch-Mediterranen TEN-Korridors von Helsinki (Finnland) nach Valletta (Malta) und ist im TEN-Strategieplan als Teil des Nord-Süd-Korridors Nr. 5 vorgesehen. Eine besondere Bedeutung nimmt der Brenner Basistunnel als staatenverbindendes Projekt zwischen Österreich und Italien ein. Der Brenner Basistunnel zwischen Tulfes (Österreich) und Franzensfeste (Italien) weist eine Gesamtlänge von 64 km auf, womit die weltlängste unterirdische Eisenbahnverbindung entsteht [1]. In Österreich sind zwei maschinelle Vortriebe ausgehend vom Ahrental bei Innsbruck Richtung Süden (Baulos H41 Sillschlucht - Pfons) im Gange und von Steinach am Brenner ausgehend weitere zwei Vortriebe Richtung Norden (Baulos H53 Pfons - Brenner). Des Weiteren wurden noch zwei weitere maschinelle Haupttunnelvortriebe auf italienischem Staatsgebiet ausgehend von Mauls Richtung Brenner (Baulos H61 Mauls 2+3) durchgeführt, welche bereits vollständig abgeschlossen sind (vgl. Abb. 1). Abb. 1: Regelprofil der Montagekaverne im Endzustand gemäß Ausschreibungsplanung, Baulos H41. 232 15. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2026 Numerische Berechnungen zu den Montagekavernen für die maschinellen Vortriebe des Brenner Basistunnels Für diese maschinellen Vortriebe wurden vier Montagekavernen in Österreich errichtet, davon je zwei im Baulos H41 und im Baulos H53 und weitere zwei Montagekavernen in Italien (Baulos H61), siehe Abb. 1, rote Rechtecke). Diese Montagekavernen wurden nach dem Ausbruch temporär durch Spritzbetonaußenschalen gesichert. Da aus aerodynamischen Gründen eine Querschnittserweiterung im Bereich der Montagekaverne und eine anschließende Querschnittsverengung ungünstig ist, war in der Ausführungsplanung vorgesehen, im Endzustand den gesamten Querschnitt nicht mit Innenschalen zu versehen, sondern im Inneren der Montagekavernen eine Tunnelin-Tunnel Konstruktion aus Ortbeton auszuführen und den Restquerschnitt mit Kies zu verfüllen. Die ursprüngliche Planung sah hier eine Teilauffüllung vor, womit sich ein schwer zu inspizierender, permanenter Hohlraum von bis zu ca. 6 m unter dem First der Montagekaverne ergeben hätte (vgl. Abb. 2). Abb. 2: Regelprofil der Montagekaverne im Endzustand gemäß Ausschreibungsplanung, Baulos H41. Hierbei lehnte sich der Planer an jene Lösung an, welche im Baulos Bodio des Gotthard-Basistunnels zur Anwendung kam (siehe Abb. 3). Abb. 3: Regelprofil der Montagekammer West Tunnel Bodio, - Verkleidungsbauwerk, Los 554, Gotthard-Basistunnel. 15. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2026 233 Numerische Berechnungen zu den Montagekavernen für die maschinellen Vortriebe des Brenner Basistunnels Wesentliche Unterschiede der Situation beim BBT im Vergleich zum Gotthard-Tunnel sind der größere Ausbruchquerschnitt der Montagekaverne sowie die Situierung des vertikalen Zugangsschachtes, welcher sich beim BBT nicht mittig des Haupttunnels, sondern seitlich und damit direkt über dem Wartungs- und Serviceweg befindet. Im Unterschied zu Österreich war bei den zwei Montagekavernen auf italienischem Staatsgebiet (Baulos H61) die Teilverfüllung des Restquerschnittes über die Zufahrt mittels einer Rampe von einem benachbarten Stollen aus vorgesehen, sodass einerseits eine bessere Verdichtung mittels Verdichtungsgeräten möglich war und andererseits eine bessere Zugänglichkeit des verbleibenden Hohlraums für Inspektionszwecke möglich war. Außerdem waren die Gebirgsverhältnisse (Brixner Granit) wesentlich besser als in Österreich und die während des Vortriebs gemessenen Konvergenzen waren unter 15 mm. Daher wurde diese ursprüngliche Lösung in Italien umgesetzt (siehe Abb. 4). Da während der Betriebsphase des Brenner Basistunnels ein Versagen der temporären Außenschale aus Spritzbeton nicht ausgeschlossen werden kann, stellte sich aufgrund der schlechten Zugänglichkeit des Hohlraums über der Teilverfüllung bei den Montagekavernen in Österreich die Frage der Standsicherheit des Hohlraums über der Teilverfüllung. Daher wurde beschlossen, die geomechanischen Auswirkungen eines solchen Versagens der Tunnelaußenschale mittels numerischer Berechnungen in einem Finite Elemente Modell zu untersuchen. Hierbei zeigte sich, dass diese ursprüngliche Lösung zu Hebungen der Tunnelsohle führen kann. Es wurde daher nach einer alternativen Variante für die Verfüllung des Hohlraums gesucht, welche in diesem Beitrag erläutert wird. Abb. 4: Errichtung der Tunnel-in-Tunnel Konstruktion in Mauls (Baulos H61 Mauls 2+3). 2. Finite Elemente Modell 2.1 Modellierung Der Tunnel wurde im Programm PLAXIS 2D [2] mit Dreieckselementen modelliert. PLAXIS 2D ist ein Finite Elemente Programm, welches auch die Berücksichtigung verschiedener Berechnungsphasen ermöglicht. Die zweidimensionale Tunnelberechnung ist bei diesem Programm durch die Eingabe einer Vorentspannung beim Ausbruch vor Einbau der Spritzbetonschale möglich. Die Größe des rechteckigen Berechnungsgebietes weist eine Breite von 150 m und eine Höhe von 130 m auf. An den seitlichen Rändern des Berechnungsgebietes wurden vertikal verschiebliche Lagerungsbedingungen angesetzt und die Primärspannungen aus der Überlagerung am oberen Rand durch einen elastischen Balken mit erhöhter Dichte eingeprägt [3]. Die Primärspannung wurde entsprechend der Überlagerungshöhe über dem First der Montagekaverne und unter Berücksichtigung einer Überlagerungswichte des Gebirges von 27 kN/ m³ angesetzt. Das Finite Elemente Modell ist in Abb. 5 dargestellt. Abb. 5: Finite Elemente Modell 2.2 Berechnungsphasen Es wurden insgesamt 6 Berechnungsphasen angesetzt. Diese umfassen den Primärzustand und 5 Phasen für den Ausbruch und den Ausbau der Montagekaverne, der Errichtung der Tunnel-in-Tunnel Innenschale, der Verfüllung und als schließlich den Ausfall der Außenschale. Um den zeitverzögerten Einbau des Ausbaus zu simulieren, wurde eine Vorentspannung des Ausbruchsquerschnitts nach Vlachopoulos [4] um 90 % der ursprünglichen Gebirgsspannung durchgeführt. Danach erfolgte in einer weiteren Phase die Aktivierung der Spritzbetonschale, wobei für den Spritzbeton aufgrund des ausgeprägten Kriechverhaltens und der Berücksichtigung der größeren Nachgiebigkeit im Zuge der Aushärtung ein reduzierter E-Modul von 15.000 MPa angesetzt wurde. Danach wurde die Errichtung der Tunnel-in-Tunnel Innenschale mit einer Dicke von 80 cm modelliert. In einer weiteren Berechnungsphase erfolgt die Auffüllung bis auf 3,40 m über den First der Innenschale. In der letzten Phase wurde der Ausfall der Außenschale simuliert. Hierbei wird die Spritzbetonschale durch das umgebende Gebirge ersetzt. 234 15. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2026 Numerische Berechnungen zu den Montagekavernen für die maschinellen Vortriebe des Brenner Basistunnels Die Berechnungsphasen sind in der Tab. 1 detailliert angeführt. Tab. 1: Berechnungsphasen Phase Beschreibung Vorentspannung Außenschale aktiv 1 Primärzustand - 2 Ausbruch der Montagekaverne 90 % 3 Außenschale der Montagekaverne - ja 4 Tunnel-in-Tunnel Innenschale - ja 5 Verfüllung - ja 6 Ausfall der Außenschale der Montagekaverne - nein 3. Montagekavernen im Baulos Sillschlucht-Pfons (H41) 3.1 Allgemeines Die beiden Montagekavernen im Baulos H41 befinden sich in einer Störungszone im Gebirgsbereich des Innsbrucker Quarzphyllites. Im Bereich der Montagekaverne Ost wurden mit 154 mm größere Konvergenzen gemessen als in der Montagekaverne West; daher wurde die Berechnung exemplarisch für die östliche Montagekaverne durchgeführt. 3.2 Gebirgskennwerte Aufgrund der Ortsbrustaufnahmen und unter Berücksichtigung der beim Vortrieb aufgetretenen Konvergenzen von bis zu 154 mm wurden für die im Bereich der Montagekaverne Ost (vorherrschende Gebirgsart IQP- GS-2f, Innsbrucker Quarzphyllit) folgende in Tab. 2 zusammengefasste Parameter für die Berechnungen angesetzt, entnommen aus dem geotechnischen Längenschnitt [5] bzw. dem technischen Bericht der Gebirgsarten [6]. Für die Berechnungen wurde das Stoffgesetz von Mohr Coulomb verwendet. Die Überlagerung oberhalb der Firste der Montagekaverne beträgt 980 m. Der Ruhedruckbeiwert k 0 wurde aufgrund der hier vorherrschenden Gebirgsdruckverhältnisse mit 1,0 angenommen. 3.3 Kennwerte des Verfüllmaterials Das Ausführungsprojekt sah eine Teilverfüllung des Querschnitts über der Tunnel-in-Tunnel Konstruktion aus Ortbeton ohne besondere Verdichtungsmaßnahmen vor. Daher wurde der Elastizitätsmodul relativ konservativ mit 50 MPa angesetzt. Die Kennwerte für das Verfüllmaterial sind in der nachfolgenden Tabelle (Tab. 3) zusammengefasst. Tab. 2: Gebirgskennwerte, Gebirgsart Innsbrucker Quarzphyllit IQP-GS-2f, Stoffgesetz von Mohr-Coulomb Parameter Einheit Wert E MPa 3.200 ν - 0,18 ϕ' ° 34 c MPa 2,8 ψ ° 5 g kN/ m³ 27 Tab. 3: Kennwerte des Verfüllmaterials, Stoffgesetz von Mohr-Coulomb Parameter Einheit Wert E MPa 50 ν - 0,2 ϕ‘ ° 30 c MPa 0 ψ ° 0 g kN/ m³ 19 3.4 Kennwerte des Ausbaus Die Außenschale der Montagekaverne aus Spritzbeton C20/ 25 wurde mit einer Dicke von 30cm ausgeführt. Ein ausgehärteter Beton der Festigkeitsklasse C20/ 25 hat einen E-Modul von 30.000-MPa. Aufgrund des ausgeprägten Kriechverhaltens und des Schwindens des Spritzbetons wurde jedoch nur ein reduzierter E-Modul von 15.000-MPa angesetzt. Für den Ortbeton der Tunnel-in-Tunnel Konstruktion wurde eine Dicke von 80 cm angesetzt. Die Kennwerte des Spritzbetons und des Ortbetons sind in Tab. 4 angegeben. Tab. 4: Kennwerte Spritzbeton, Ortbeton Parameter Einheit Bezeichnung E c , E s N/ mm² f ck , f yk N/ mm² Spritzbeton Außenschale C20/ 25 15.000 20 Ortbeton Tunnel-in- Tunnel C30/ 37 37.000 30 Baustahl B550B 200.000 550 15. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2026 235 Numerische Berechnungen zu den Montagekavernen für die maschinellen Vortriebe des Brenner Basistunnels 3.5 Berechnungsergebnisse Für die Auswertung der Ergebnisse und deren Beurteilung sind die Verschiebungen interessant, welche sich nach der Verfüllung der Kaverne ergeben. Daher wurden die Verschiebungen zu Beginn der Berechnungsphase 6 auf null gestellt; die Verschiebungen in dieser Phase ergeben sich daher nur aufgrund des Ausfalls der Außenschale. Die Verschiebungen für die Berechnungsphase 6 sind in Abb. 6 dargestellt. Es ergeben sich maximale Konvergenzen von 95 mm im Firstbereich und maximale Hebungen von ca. 20mm im Bereich der Sohle der Tunnel-in-Tunnel Innenschale. Abb. 6: Verschiebungen Montagekaverne H41 Ost mit Tunnel-in-Tunnel Konstruktion und Verfüllung, Berechnungsphase 6 (nach Ausfall der Spritzbetonschale). 4. Montagekavernen im Baulos Pfons-Brenner (H53) 4.1 Allgemeines Die beiden Montagekavernen im Baulos H53 befinden sich im regulären Gebirgsbereich des Bündner Schiefers außerhalb von Störungszonen. Im Bereich der Montagekaverne West wurden mit 45 mm größere Konvergenzen gemessen als in der Montagekaverne Ost; daher wurde die Berechnung hier für die westliche Montagekaverne durchgeführt. 4.2 Gebirgskennwerte Unter Berücksichtigung der beim Vortrieb aufgetretenen Konvergenzen von bis zu 45 mm und der Ortsbrustaufnahmen wurden für die im Bereich der Montagekaverne West (vorherrschende Gebirgsart SH-KS-5e, Bündner Schiefer) folgende in Tab. 5 zusammengefasste Parameter für die Berechnungen angesetzt, welche aus dem geotechnischen Längenschnitt [7] bzw. dem technischer Bericht der Gebirgsarten [8] entnommen wurden. Die Überlagerung beträgt hier weniger als im Baulos H41, ca. 700 m. Der Ruhedruckbeiwert k 0 wurde aufgrund der hier vorherrschenden Gebirgsdruckverhältnisse, welche vergleichbar mit jenen im Baulos H41 waren, ebenfalls mit 1,0 angenommen. Tab. 5: Gebirgskennwerte, Bündner Schiefer SH-KS- 5e, Stoffgesetz von Mohr-Coulomb Parameter Einheit Wert E MPa 5.000 ν - 0,18 ϕ' ° 36 c MPa 1,8 ψ ° 5 g kN/ m³ 27 4.3 Ausbau, Verfüllung Der Ausbau der Montagekaverne im Baulos H53 und die Verfüllung des Hohlraums erfolgte analog zum Baulos H41; die Kennwerte des Verfüllmaterials und des Ausbaus wurden wie in den Abschnitten 3.3 und 3.4 angesetzt. 4.4 Berechnungsergebnisse Es ergeben sich aus der Berechnung geringere Konvergenzen als bei den Montagekavernen im Baulos H41, nämlich maximale Konvergenzen von 8 mm im Firstbereich und maximale Hebungen von ca. 1mm im Bereich der Sohle der Tunnel-in-Tunnel Innenschale. Die Verschiebungen für die Berechnungsphase 6 sind in Abb.-7 dargestellt. Diese Ergebnisse sind durch das kompetentere Gebirge und die geringere Überlagerung gegenüber den Montagekavernen im Baulos H41 zu erklären. Aufgrund dieser geringen Werte sind hier Hebungen in Folge des Ausfalls der Außenschale praktisch vernachlässigbar und es ist von keinen negativen Auswirkungen auf den künftigen Bahnbetrieb auszugehen. Abb. 7: Verschiebungen Montagekaverne H53 West mit Tunnel-in-Tunnel Konstruktion und Verfüllung, Berechnungsphase 6 (nach Ausfall der Spritzbetonschale). 5. Variante zementgebundene Verfüllung 5.1 Allgemeines Aufgrund der bei den Montagekavernen im Baulos H41 rechnerisch ermittelten großen Hebungen im Bereich der 236 15. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2026 Numerische Berechnungen zu den Montagekavernen für die maschinellen Vortriebe des Brenner Basistunnels Tunnelsohle wurde eine Ausführungsvariante mit einer zementgebundenen Verfüllung (Annahme 100 kg Zement pro m³ Zuschlag) angedacht. Der dieser Lösung zugrunde liegende Gedanke war, dass einer höhere Scherfestigkeit und einer geringere Verformbarkeit der zementgebundenen Verfüllung eine Entspannung des Hohlraums verhindert und es somit zu geringeren Hebungen im Bereich der Tunnelsohle kommt. 5.2 Kennwerte der zementgebundenen Verfüllung Für das zementgebundene Verfüllmaterial wurden folgende Kennwerte angesetzt, welche einem Magerbeton mit einer geringen Festigkeit C3/ 4 (vgl. Tab. 6) entsprechen. Die restlichen Kennwerte des Ausbaus und des Gebirges wurden unverändert belassen. Tab. 6: Kennwerte des zementgebundenen Verfüllmaterials, Magerbetongüte entsprechend ca. C3/ 4, Stoffgesetz von Mohr-Coulomb Parameter Einheit Wert E MPa 1.000 ν - 0,2 ϕ' ° 35 c MPa 200 ψ ° 0 g kN/ m³ 20 5.3 Berechnungsergebnisse Aufgrund der zementgebundenen Verfüllung und der somit wesentlich höheren Scherfestigkeit gegenüber der ungebundenen Verfüllung ergeben sich nun wesentlich geringere maximale Konvergenzen von ca. 32 mm im Firstbereich (ursprünglich 95 mm) und maximale Hebungen von ca. 1 mm statt ursprünglich 20 mm im Bereich der Sohle der Tunnel-in-Tunnel Innenschale. Die Verschiebungen für die Berechnungsphase 6 sind in Abb. 8 dargestellt. Abb. 8: Verschiebungen Montagekaverne H41 Ost mit Tunnel-in-Tunnel Konstruktion und Verfüllung, Berechnungsphase 6 (nach Ausfall der Spritzbetonschale). 6. Zusammenfassung Der Einfluss eines eventuellen Ausfalls der Spritzbetonschale auf die in der Ausschreibungsplanung vorgeschlagene Tunnel-in-Tunnel Konstruktion für die Montagekavernen der Baulose H41 Sillschlucht-Pfons und H53 Pfons-Brenner wurde mittels finite Elemente Berechnungen mit dem Programm PLAXIS 2D untersucht. Hierbei ergaben sich bei den Montagekavernen der jeweiligen Baulose aufgrund anderer geologischer Verhältnisse unterschiedliche Ergebnisse. Bei den Montagekavernen im Baulos H41, wo beim Bau relativ hohe Konvergenzen gemessen wurden, ergeben sich aus den Berechnungen Hebungen von bis zu 2 cm in der Sohle der vorgeschlagene Tunnel-in-Tunnel Konstruktion, welche zu Problemen im Betrieb (Gleislage) führen würden. Unter Verwendung einer zementgebundenen Verfüllung (Annahme 100 kg Zement pro m³ Zuschlag, Magerbetongüte C3/ 4) können diese Hebungen aber auf ca. 1-mm reduziert werden. Im Falle der Montagekavernen im Baulos H53, wo beim Bau wesentlich geringere Konvergenzen gemessen wurden, ergeben sich Hebungen von nur ca. 1- mm in der Sohle der vorgeschlagenen Tunnel-in-Tunnel Konstruktion. Hier war daher keine zementgebundene Verfüllung notwendig. Literatur [1] Brenner Basistunnel BBT SE (2025) Homepage, www.bbt-se.com [2] PLAXIS 2D (2025), Version 2025.1.0.1991 [3] Weifner, T. (2020). The Selection of Suitable Boundary Conditions for Finite Element Simulations of Deep Tunnels. Civil Engineering Research Journal (CERJ) 10(4): 55-57. [4] Vlachopoulos, N. & Diederichs, M. S. (2009) Improved longitudinal displacement profiles for convergence confinement analysis of deep tunnels. Rock Mech. Rock Eng. 42, S. 131-146. [5] BBT SE (2020) Geotechnischer Längenschnitt, H41 Haupttunnel Ahrental-Pfons, 01-H41-GP- 002-GTB-36550-55 [6] BBT SE (2020) Technischer Bericht Gebirgsarten, H41 Haupttunnel Ahrental-Pfons, 01-H41-GP- 002-GTB-36551-56 [7] ILF Consulting engineers (2021) Geotechnischer Längenschnitt H53 Haupttunnel, kontinuierlicher Vortrieb, Abschnitt Nord, 01-H53-XX-001-D1496- GLS-23028-50 [8] ILF Consulting engineers (2021) Technischer Bericht Gebirgsarten H53, Haupttunnel, kontinuierlicher Vortrieb, Abschnitt Nord, 01-H53-XX-001- D1496-GTB-23029 51